Características de los Circuitos Lógicos MOS

CARACTERISTICAS DE LOS CIRCUITOS LÓGICOS MOS

A continuación se especificaran algunas de las características a comparación de las familias  bipolares: velocidad de operación: Es mucho más lenta, una compuerta Nand- Nmos común tiene un tiempo de retraso en la propagación de 50ns , lo cual se debe a dos factores: La resistencia de salida alta de 100 KΩ en el estado Alto y la carga capacitativa representada por la entrada de los circuitos lógicos manejados.

• Margen de Ruido: Frecuentemente los márgenes de ruido que ocasiona el NMos están alrededor de 1.5 v.

• Factor de Carga: Debido a la resistencia de entrada bastante alta en cada entrada de los mosfet, se esperaría que el factor de carga fuesen limitadas, pero sin embargo, para frecuencias altas alrededor de 100 khz, la capacitancia de entrada de la compuerta produce un deterioro  en el tiempo de conmutación, que se aumentan en proporción al número de cargas conducidas, esta lógica puede operar mejor con un factor de carga de 50 lo que hace que sea mejor las familias bipolares.

• Consumo de Potencia: Los Mos consumen cantidades mínimas de potencia a causa de las resistencias correspondientemente grandes que son utilizadas.

• Complejidad del Proceso: Es la más fácil de fabricar de las familias ya que utiliza solo un complemento básico, un transistor N-mos, no requiere de otros elementos.

• Sensibilidad Estática: Los dispositivos en mayor o menor cantidad, son sensibles a daños por electricidad estática, estas familias son bastantes aptos a carga electrostática a comparación de las bipolares, esto es consecuencia de la muy alta impedancia de entrada que caracteriza  a las mosfet, una pequeña carga electrostática que circule por estas altas impedancias puede dar origen a voltajes peligrosos, este mismo flujo de carga en una impedancia relativamente baja de una entrada TTl y ECl produce un voltaje mínimo y menos dañino.

Compuerta Nor

Compuerta Nor

Esta compuerta maneja a Q₂ y Q₃ como interruptores paralelos, con Q₁ como  resistencia de carga, cuando las entrada A o B se encuentra en +5v, el mosfet correspondiente esta encendido, obligando a la salida a ser Baja, cuando las dos entradas están en 0v, Q₂ y Q₃ estan apagadas, de manera que la salida sea Alta.

Compuerta Nand nMos

Esta operación se efectúa por medio siguiente circuito 

Donde Q₁ vuelve a actuar como una resistencia de carga, mientras que Q₂ y Q₃ son interruptores controladores por los niveles de entrada A y B

Tabla de verdad y circuito

Circuitos Integrados MOS

Circuitos MOS

Esta tecnología mos (semiconductor – metal –oxido) cuyo nombre viene dado por el nombre de la estructura básica del electrodo metálico sobre un oxido aislante que a su vez esta sobre el substrato semiconductor.

Los transistores en esta tecnología son de tipo campo (mosfet), empleado en la  mayoría de los circuitos integrados. Una de las ventajas de los mosfet es respectivamente simple y poco costo en el proceso de fabricación, el consumo que presenta es baja  energía.

Estos dispositivos ocupan menos espacio en un chip a diferencia de los transistores bipolares.

En la actualidad existen dos tipos generales de mosfet: agotamiento y enriquecimiento; pero los mas utilizados en los C.i digitales son los mosfet de enriquecimiento.

INTERRUPTOR MOSFET BÁSICO

Símbolos esquemáticos para el mosfet de enriquecimiento

Para el dispositivo de canal N, el drenaje siempre se polariza en forma positiva en relación con la fuente, para determinar si el dispositivo esta encendido o apagado el voltaje de la compuerta a la fuente V_Gs es el voltaje de entrada, que se utiliza para controlar la resistencia entre el drenaje y la fuente, cuando V_Gs=0, no existe un canal conductor entre la fuente y el drenaje y el dispositivo estaría apagado.

Fig: Características de conmutación de los canales P y N

Los circuitos digitales que emplean mosfet se dividen en 3 categorías:

• -  PMos, los cuales utilizan solo un mosfet de enriquecimiento de canales P
• - NMos: Los cuales solo utilizan mosfet de enriquecimiento de canales N
• -    Cmos:Los cuales utilizan dispositivos de canales P y N.

INVERSOR NMos

  Este circuito inversor básico contiene dos mosfet de carga: Q₁ denominado mosfet de carga, la cual tiene una compuerta conectada permanentemente a +5v de manera que está encendida y funciona como una resistencia de carga de valor R_ENC, y a Q₂ denominado mosfet de conmutación la cual cambiara de Encendido a Apagado en respuesta a V_{ENT .}

El mosfet Q₁ está diseñado para tener un canal mucho más angosto que Q₂ de manera que R_ENC de Q₁ es mucho mayor que el de Q_2, usualmente R_ENC para Q₁ es 100 kΩ y R_ENC para Q₂ es de 1kΩ, R_APAG para Q₂ generalmente es de 10¹⁰ Ω.

  Fig: Los 2 Estados del inversor

En esta fig. se resume los estados del inversor, la mejor manera de analizar es tomar el canal mosfet como una resistencia, de manera que el voltaje de salida se tomo de un divisor de voltaje formado por dos resistencias .

Circuito Básico ECL

CIRCUITO ECL BÁSICO

El circuito básico para la lógica acoplada en emisor es esencialmente la configuración del amplificador diferencial. La fuente de alimentación VEE produce una corriente esencialmente fija IE que permanece alrededor de 3 mA durante la operación normal. Se permite que esta corriente fluya a través de Q1 o de Q2 según el nivel del voltaje en VENT. En otras palabras, esta corriente cambiará entre el colector de Q1 y el de Q2 cuando VENT varíe entre sus dos niveles lógicos de -1.7V (0 lógico para ECL) y -0.8V (1 lógico para ECL).

Se debe tener en cuenta dos puntos:

1.     Restan aproximadamente 0.8V de VC1 y VC2 son los complementos el uno del otro.

2.     Los niveles de voltaje de salida no son los mismos que los de los niveles lógicos de entrada.

El segundo punto observado anteriormente se maneja fácilmente conectado VC1 y VC2 a las etapas seguidores - emisores (Q3 Y Q4). Los seguidores - emisores desempeñan dos funciones:

1.     Restan aproximadamente 0.8V de VC1 para correr los niveles de salida a los niveles lógicos ECL correctos.

2.     Ofrecen una impedancia de salida muy baja (comúnmente de 7Ω), que proporciona un factor de carga muy grande y una carga muy rápida de la capacitancia de carga. 

COMPUERTA OR Y NOR ECL

El circuito ECL básico se puede utilizar como un inversor, si la salida se toma en Vsal1. Este circuito se puede expandir a más de una entrada, colocando en paralelo el transistor Q1 con otros transistores para las entradas. Aquí Q1 o Q2 pueden ocasionar que la corriente sea conmutada fuera de Q2, produciendo dos salidas VSAL1 y VSAL2, que son las operaciones lógicas NOR y OR respectivamente. 

CARACTERÍSTICAS DEL ECL

Las características más importantes de la familia ECL de los circuitos lógicos son las siguientes:

1.     Los transistores nunca se saturan, así es que la velocidad de la conmutación es muy alta. El tiempo común de retraso en la propagación es 1ns, que hace a la ECL un poco más rápida que la TTL Schottky (serie 74AS).

2.     Los niveles lógicos son nominalmente -0.8V y -0.7V para el 1 y 0 lógicos, respectivamente.

3.     los márgenes de ruido ECL en el peor de  los casos son aproximadamente 250mV. Estos márgenes de ruido bajos hacen a ECL un tanto insegura para utilizarse en medios industriales con mucho volumen de trabajo.

4.     Un bloque lógico ECL por lo general produce una salida y su complemento, Esto elimina la necesidad de inversores.

5.     Los factores de carga se encuentran comúnmente alrededor de 25, debido a las salidas emisor - seguidor de baja impedancia.

6.     La disipación típica de potencia de una compuerta básica ECL es de 25mW, valor mayor que el correspondiente a la serie 74AS.

7.     El flujo de corriente toral es un circuito ECL permanece relativamente constante, sin importar su estado lógico. Esto ayuda a mantener un consumo de corriente invariable en el suministro de potencia del circuito, aun durante transiciones de conmutación, Así, no se generan internamente ruidos como los producidos por los circuitos TTL tipo tótem.

Familia Lógica TTL

FAMILIA LÓGICA TTL

Esta familia Lógica- Transistor-Transistor (TTL) es bastante utilizada en aplicaciones que requieren de dispositivos SSI y MSI, que sirve como lógica que conecta a los dispositivos más complejos en los sistemas digitales , aunque en la actualidad indican una  declinación a favor de los Cmos.

La familia TTL utiliza transistores que operan en el modo saturado. Como resultado, su velocidad de conmutación está limitada por el retraso de tiempo por almacenamiento asociado con un transistor que se conduce a saturación. Se ha desarrollado otra familia lógica BIPOLAR que evita la saturación de transistores, con lo que se incrementa la velocidad total de conmutación. A esta familia lógica se le denomina LÓGICA ACOPLADA EN EMISOR (ECL; emmitercoupled logic) y opera sobre el principio de la conmutación de corriente, por el cual una corriente de polarización fija menor que Ic (sat) es conmutada del colector de un trans

istor a otro. Debido a esta operación, en modo de corriente, esta forma lógica también se conoce como LÓGICA DE MODO DE CORRIENTE (CML;current-mode logic).

ACTUALIZACIONES SERIES TTL

Los dispositivos TTL estándar (serie 74) rara vez se utilizan en los diseños de nuevos sistemas, debido a las mejoras en el comportamiento de las series más nuevas TTL, que se han perfeccionado con el paso de los años. Estas otras series TTL, a menudo llamadas SUBFAMILIAS ofrecen un amplio intervalo de capacidades de velocidades y potencias.

1.  SERIES 74L Y 74H: Se desarrollaron para proporcionar versiones de TTL de baja potencia y alta velocidad. En comparación con la serie 74, la serie 74L es una versión de baja potencia que consume menos potencia, pero acosta de un retraso de propagación mucho mayor, la serie 74H es una versión de alta velocidad que tiene retraso de propagación reducido a costa de un mayor consumo de potencia.

2.  SERIES 74S, TTL SCHOTTKY: Las series 74, 74H, 74L funcionan mediante la conmutación hacia niveles de saturación. Esta forma de funcionamiento da origen a un retraso en el tiempo por almacenamiento. La serie 74S disminuye este retaso de tiempo por almacenamiento al no permitir que el transistor entre en demasiado en saturación. Lo anterior se logra conectando entre la base y el colector del transistor un diodo de barrera Schottky (SBD). El SBD tiene un voltaje de polarización de sólo 0.25V.

3.  TTL SCHOTTKY DE BAJO CONSUMO DE POTENCIA, SERIES 74LS (LS-TTL): La serie 74LS es una serie versión de la serie 74S con un menor consumo de potencia y velocidad.

Una compuerta NAND de la serie 74LS comúnmente tendrá un retraso de propagación promedio de 9.5ns y una disipación de potencia promedio 2nW, la serie 74LS se ha convertido en el soporte principal de la familia TTL, y se puede encontrar en nuevos diseños que no requieren velocidad máxima.

Imagen 4: comparación entre series para compuerta Nand

6.  TTL 74F, FAST: Es la más nueva de las series TTL. Utiliza una nueva técnica de fabricación de circuito integrado, para reducir las capacitancias interdispositivos a fin de lograr demoras reducidas en la propagación de 3ns y un consumo de corriente de 6mW. Estas series TTL de alto rendimiento (74AS, 74ALS, 74F) dan servicio a nichos muy pequeños en la industria digital.

Imagen 5: Características representativas de las series TTL.

Vídeo: como hacer una simulación de una compuerta ttl

Vídeo: Aplicaciones con TTL

Tipos de Familias Lógicas de los C.I

FAMILIA DE LOS C.I

Dependiendo del tipo de  transistor el cual se utilice para su construcción se tienen dos tipos de Familia de C.I:

- FAMILIA BIPOLAR: Esta familia está compuesta de C.I que están hechos a base de transistores de unión Bipolar (BJT).

Dentro de este grupo de familia se encuentran unas subfamilias como lo son:

• TTL (Lógica- Transistor-Transistor): Una de las más utilizadas a nivel de circuitos SSI y MSI.
• ECL (Lógica Emisor Acoplado): Es una de la más rápida, por esto se emplea en varias ocasiones en especial cuando se requiere de aplicaciones de alta velocidad de respuesta sin tener en cuenta el precio o el consumo.
• RTL(Lógica Resistencia-Transistor) y DTL(Diodo-Transistor): Hoy en día están obsoletas.

• HTL (Alto Umbral de Ruido): Esta subfamilia presenta una alta inmunidad al ruido, siendo apropiada.
• I2L(Inyección Integrada): Comercialmente no cuenta con un propósito de circuitos

-FAMILIA MOS: Son C.I hechos a base de transistores de efecto de campo (Mosfet)

Dentro de este grupo se encuentran las siguientes subfamilias:

• nMos(Lógica Mosfet de canal n): Es muy utilizada en circuitos LSI y VLSI, empleados para microprocesadores y memorias

•       pMos(Lógica Mosfet de canal p): En la actualidad esta subfamilia es obsoleta.
•    CMos(Lógica de simetría Complementaria):  Ya que presenta un consumo bajo es apta para emplearla en equipos a baterías como lo son las calculadoras de bolsillo.

Características de las Familias Lógicas

CARACTERÍSTICAS

- RETRASOS EN LA PROPAGACIÓN: Una señal lógica siempre experimenta un retraso al recorrer el circuito. Los dos tiempos de retraso de propagación se define como sigue a continuación.

• T_PLH: Tiempo de retraso al pasar del estado lógico 0 al lógico 1 (De BAJO a ALTO)
• T_PLH: Tiempo de retraso al pasar del estado lógico 1 al lógico 0 (De ALTO a BAJO)

Estos términos no tienen el mismo valor y ambos varían según las condiciones de carga. Los valores de los tiempos de propagación se utilizan como una medida de la velocidad relativa de los circuitos lógicos.

- REQUERIMIENTOS DE POTENCIA: Cada uno de los circuitos requiere de cierta cantidad de potencia eléctrica para funcionar, la cual es suministrada por uno o más voltajes de alimentación conectados a las terminales del C.I, esta es la única  potencia en el encapsulado, se le etiqueta como  V_cc (para TTl) y V_{DD (} para dispositivos Mos).  La cantidad de potencia que requiere un C.I se determina por la corriente ICC que consume la fuente de alimentación V_cc y la potencia real es el producto ICC x V_cc, para muchos C.I, el consumo de corriente de la fuente de alimentación variará según los estados lógicos de los circuitos en el encapsulado.  

- PRODUCTO VELOCIDAD-POTENCIA: Las familias digitales de C.I se han caracterizado históricamente  tanto por su potencia como por la velocidad, En general cuando se tienen retrasos en la propagación es decir mayor velocidad y bajos valores de disipación de potencia. Un medio para medir y comparar el desempeño global de una familia de los C.I es el producto de velocidad potencia que se obtiene al multiplicar el  retraso de la propagación de la compuerta por la potencia que se evade.
EJM: Cierta  familia de C.I tiene un retraso promedio de propagación de 10 ns y una disipación de potencia de 5 mW. En este caso, el Producto Velocidad- Potencia es:

10 ns*5mW= 50*10^-12 watt-segundo =50 picojoules (pJ)

INMUNIDAD AL RUIDO: Los campos eléctricos y magnéticos aleatorios pueden inducir voltajes en los alambres de conexión entre los circuitos lógicos. Estas señales no deseadas, se denominan ruido y algunas veces pueden producir  que el voltaje en la entrada de un circuito lógico caiga por debajo de V_IH(mín)o exceda V_IL(máx) lo que podría producir una operación poco confiable. La inmunidad al ruido de un circuito lógico se refiere a la capacidad del circuito para tolerar voltajes de ruido en sus entradas.

A una medida cuantitativa de inmunidad al ruido se le denomina Margen de ruido.

Familias de los C.I

FAMILIAS DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS

Son C.I entre sí, es decir que las salidas de las puertas pueden conectarse directamente a las entradas de otras puertas de las mismas familias, es decir que se alimentan del mismo voltaje y entienden los mismos  niveles lógicos.

Imagen 3: Familias Lógicas de los C.I


Vídeo: Explicación de las familias lógicas

Introducción

 

INTRODUCCIÓN

Para empezar vamos a dar la definición de lo que son los circuitos integrados (C .I) y las familias de  este tipo de circuitos.

¿QUE ES UN CIRCUITO INTEGRADO?

Un circuito integrado más conocido como chips, es una pastilla pequeña de material semiconductor.

Imagen 1: Circuito Integrado

La  función principal es mejorar las funciones de los aparatos tanto electrónicos como electrodomésticos; así como   reducción en el tamaño de la circuitería y la complejidad de los circuitos.

Existen algunas cosas que los C.I no pueden hacer: No son capaces de manejar flujos de corrientes o de voltajes porque el calor generado en espacios tan pequeños causan que la temperatura exceda de los límites aceptables; tampoco pueden implantar fácilmente ciertos dispositivos eléctricos como inductores, transformadores y capacitores grandes.

Es por esto que los C.I se utilizan en los circuitos de baja potencia lo cual se conoce como “procesamiento de información”.

Para empezar a conocer de las diferentes clases, primero se debe tener en cuenta las escalas de integración de los C.I que se emplearán más adelante.

Imagen 2: Escala de Integración de los C.I